一种锡基钙钛矿太阳能电池供电的RFID电子标签

技术领域

本发明属于太阳能电池应用技术领域，尤其是一种锡基钙钛矿太阳能电池供电的RFID电子标签。

背景技术

无线射频识别(RFID)技术，是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体(电子标签或射频卡)进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的，其被认为是21世纪最具发展潜力的信息技术之一。射频识别技术依据其标签的供电方式可分为三类，即无源RFID，有源RFID与半有源RFID，其中有源RFID和半有源RFID都需要电源供电。虽然RFID电子标签能耗小，但是持续供电却存在有线连接或电池更换的问题，这会导致成本增加和工作不便，室内光伏正好可以解决这一难题。室内光伏通过采集室内光能并转换成电能，达到为室内电子标签供电的目的。在室内光伏领域，现有的硅太阳能电池的室内光伏表现并不理想，钙钛矿太阳能电池以其优异的光电转换效率引人关注，含铅钙钛矿室内光伏效率达到35％以上(Adv.Mater.,2021,33,2100770；Adv.Energy Mater.,2018,8,1801509；Adv.Mater.,2022,34,2200320)。但是有毒重金属Pb的使用始终是躲不开的“绊脚石”，发展无铅钙钛矿室内光伏是未来电子标签技术发展的主要趋势。无铅锡基钙钛矿太阳能电池的发展虽然只有十余年的时间，但是它的光伏发电效率却能从3％提升至14.81％。锡基钙钛矿材料兼具了高效率和低成本制备的优势，未来潜能巨大。此外，锡基钙钛矿材料带隙可调，宽带隙下的室内光伏表现优异，且锡元素对环境和人体无毒无害，这些特点完美符合了RFID电子标签电源电池的应用需求。

通过检索，未发现与本发明专利申请相关的专利公开文献。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种锡基钙钛矿太阳能电池供电的RFID电子标签。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种锡基钙钛矿太阳能电池供电的RFID电子标签，所述电子标签包括锡基钙钛矿太阳能电池、标签天线、标签芯片和基板，所述基板上相连接设置锡基钙钛矿太阳能电池、标签天线、标签芯片，所述锡基钙钛矿太阳能电池的电源输出端与标签芯片的电源输入端连接设置；所述标签天线与标签芯片的射频输入端相连接设置；

其中，所述锡基钙钛矿太阳能电池包括自下而上依次相连接设置的透明导电阴极玻璃、空穴传输层、锡基钙钛矿活性层、电子传输层、修饰层和金属阳极。

进一步地，所述锡基钙钛矿太阳能电池的空穴传输层是PEDOT:PSS溶液旋涂制得，PEDOT:PSS溶液的质量浓度为1.3～1.7wt％。

进一步地，所述锡基钙钛矿太阳能电池的电子传输层是有机电子传输材料溶液旋涂制得，有机电子传输材料溶液的浓度为20mg.ml

进一步地，所述有机电子传输材料为ICBA、PCBM。

进一步地，所述锡基钙钛矿太阳能电池的修饰层为2,9-二甲基-4,7-联苯-1,10-邻二氮杂菲(BCP)薄膜；

或者，所述锡基钙钛矿太阳能电池的透明导电阴极玻璃ITO，金属阳极为金属电极Ag或Al。

进一步地，所述锡基钙钛矿太阳能电池的锡基钙钛矿活性层的前驱体溶液是：将苯乙胺氢溴酸盐(PEABr)、甲脒氢溴酸盐(FABr)、碘化亚锡(SnI

其中，苯乙胺氢溴酸盐(PEABr)：甲脒氢溴酸盐(FABr)：碘化亚锡(SnI

进一步地，所述锡基钙钛矿太阳能电池的制备包括如下步骤：

(1)将透明导电阴极玻璃用洗洁精水超声清洗15分钟后用干净的橡胶手套搓揉干净，然后依次用去离子水、乙醇、丙酮、异丙醇超声清洗，每步15分钟，以去除ITO玻璃表面的杂质和有机残留物；

(2)将清洗干净的透明导电阴极玻璃用氮气枪吹干后，放入紫外-臭氧清洗机中处理20分钟，对ITO玻璃表面残留的有机物起到光敏氧化分解作用以分解表面的有机物，并将之转换成具有高亲水性的官能团(如-OH，-CHO，-COOH等)，增强表面的铺展性；

(3)以6000rpm的转速旋转涂覆PEDOT:PSS溶液40秒，并在140℃下退火20min；

(4)取锡基钙钛矿活性层的前驱体溶液先在1000rpm下旋转涂覆10s，后在5000rpm下旋转30s；在30s阶段的第22秒将甲苯滴到表面，前驱体溶液：甲苯的体积比为1：3，将底物在80℃退火10min；

(5)电子传输层材料溶液在1000rpm下旋转20s-30s，然后在70℃下退火10min；将BCP溶液在6000rpm下旋转涂覆30s，并将所制备的膜在70℃下热退火10min；所有前驱体在旋转涂层前均用0.22微米聚四氟乙烯过滤器进行过滤；最后，利用真空蒸镀系统沉积120nmAg层。

进一步地，所述步骤(5)中BCP溶液为BCP的异丙醇溶液时，为饱和溶液；BCP溶液为BCP的三氟乙醇溶液时，BCP的浓度为1mg.ml

所述步骤(5)中电子传输层材料溶液为浓度为20mg.ml

进一步地，所述锡基钙钛矿太阳能电池的阴离子摩尔比例为碘离子(I

进一步地，所述标签天线为偶极子类型天线、环形天线或微带贴片天线。

本发明取得的优点和积极效果为：

1、本发明采用环境友好的锡基钙钛矿材料制备太阳能电池，作为RFID电子标签电源。与传统电池相比，锡基太阳能电池对资源利用率高，同时延长了RFID电子标签的使用寿命，符合绿色环保高效的理念。

2、本发明采用宽带隙的锡基钙钛矿太阳能电池，完美符合电子标签的应用场景。与硅太阳能电池相比，锡基钙钛矿材料的带隙可调，宽带隙下锡基钙钛矿太阳能电池的室内光伏性能优异，解决了传统太阳能电池在室内场景中性能不足的问题。

3、本发明RFID电子标签中，锡是一种环境友好型的元素，采用锡基钙钛矿太阳能电池，可以进一步提高RFID电子标签的性能，且对环境和人体无毒无害。

4、本发明中获得了效率稳定、无毒无害的锡基钙钛矿太阳能电池。本发明扩展了半有源标签的使用场景，使半有源标签可以长期工作而不需更换电池，还提高了无源标签和半有源标签的通信距离(图6)，同时采用环境友好的制作材料，避免了生产过程中的环境污染。

5、本发明中锡基钙钛矿太阳能电池的空穴传输层是PEDOT:PSS薄膜，电子传输层是ICBA、PCBM或C

锡基钙钛矿太阳能电池的修饰层为二甲基-4,7-联苯-1,10-邻二氮杂菲(BCP)薄膜，其可以减少有机电子传输层与金属电极直接接触时产生的性能损耗，同时阻碍金属离子迁移，增加电池的稳定性；

锡基钙钛矿太阳能电池的活性层前驱体溶液由苯乙基氢溴酸盐(PEABr)：甲脒氢溴酸盐(FABr)：碘化亚锡(SnI

附图说明

图1为本发明中的一种RFID电子标签的结构连接示意图；其中，标签芯片采用的是EM4325芯片，标签天线为超高频天线，基板为玻璃基板；

图2为本发明中实施例1中的单个锡基钙钛矿太阳能电池器件的示意图(图中自下而上为5透明导电阴极玻璃、6空穴传输层、7锡基钙钛矿活性层、8电子传输层、9修饰层以及10金属阳极)；

图3为本发明中实施例2中的单个锡基钙钛矿太阳能电池器件在一个太阳光光强下的电流密度-电压特性曲线；

图4为本发明中实施例2中的单个锡基钙钛矿太阳能电池器件在常用室内场景(1062lux)下的电流密度-电压特性曲线。

图5为本发明中实施例2中标签在常用室内场景(1062lux)下由锡基钙钛矿太阳能电池驱动工作时每分钟发射信号数。

图6为本发明实施例2中标签在常用室内场景(1062lux)下由锡基钙钛矿太阳能电池驱动工作时可测信号的最远距离与标准标签在相同场景下可测信号的最远距离之间的比较。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明进一步说明，下属实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。

具体实施例中所涉及的各种实验操作，均为本领域的常规技术，本文中没有特别注释的部分，本领域的普通技术人员可以参照本发明申请日之前的各种常用工具书、科技文献或相关的说明书、手册等予以实施。

一种锡基钙钛矿太阳能电池供电的RFID电子标签，所述电子标签包括锡基钙钛矿太阳能电池1、标签天线2、标签芯片4和基板3，所述基板上相连接设置锡基钙钛矿太阳能电池、标签天线、标签芯片，所述锡基钙钛矿太阳能电池的电源输出端与标签芯片的电源输入端连接设置；所述标签天线与标签芯片的射频输入端相连接设置；

其中，所述锡基钙钛矿太阳能电池包括自下而上依次相连接设置的透明导电阴极玻璃5、空穴传输层6、锡基钙钛矿活性层7、电子传输层8、修饰层9和金属阳极10。

较优地，所述锡基钙钛矿太阳能电池的空穴传输层是PEDOT:PSS溶液旋涂制得，PEDOT:PSS溶液的质量浓度为1.3～1.7wt％。

较优地，所述锡基钙钛矿太阳能电池的电子传输层是有机电子传输材料溶液旋涂制得，有机电子传输材料溶液的浓度为20mg.ml

较优地，所述有机电子传输材料为ICBA、PCBM。

较优地，所述锡基钙钛矿太阳能电池的修饰层为2,9-二甲基-4,7-联苯-1,10-邻二氮杂菲(BCP)薄膜；

或者，所述锡基钙钛矿太阳能电池的透明导电阴极玻璃ITO，金属阳极为金属电极Ag或Al。

较优地，所述锡基钙钛矿太阳能电池的锡基钙钛矿活性层的前驱体溶液是：将苯乙胺氢溴酸盐(PEABr)、甲脒氢溴酸盐(FABr)、碘化亚锡(SnI

其中，苯乙胺氢溴酸盐(PEABr)：甲脒氢溴酸盐(FABr)：碘化亚锡(SnI

较优地，所述锡基钙钛矿太阳能电池的制备包括如下步骤：透明导电阴极玻璃5、空穴传输层6、锡基钙钛矿活性层7、电子传输层8、修饰层9和金属阳极

(1)将透明导电阴极玻璃用洗洁精水超声清洗15分钟后用干净的橡胶手套搓揉干净，然后依次用去离子水、乙醇、丙酮、异丙醇超声清洗，每步15分钟，以去除ITO玻璃表面的杂质和有机残留物；

(2)将清洗干净的透明导电阴极玻璃用氮气枪吹干后，放入紫外-臭氧清洗机中处理20分钟，对ITO玻璃表面残留的有机物起到光敏氧化分解作用以分解表面的有机物，并将之转换成具有高亲水性的官能团(如-OH，-CHO，-COOH等)，增强表面的铺展性；

(3)以6000rpm的转速旋转涂覆PEDOT:PSS溶液40秒，并在140℃下退火20min；

(4)取锡基钙钛矿活性层的前驱体溶液先在1000rpm下旋转涂覆10s，后在5000rpm下旋转30s；在30s阶段的第22秒将甲苯滴到表面，前驱体溶液：甲苯的体积比为1：3，将底物在80℃退火10min；

(5)电子传输层材料溶液在1000rpm下旋转20s-30s，然后在70℃下退火10min；将BCP溶液在6000rpm下旋转涂覆30s，并将所制备的膜在70℃下热退火10min；所有前驱体在旋转涂层前均用0.22微米聚四氟乙烯过滤器进行过滤；最后，利用真空蒸镀系统沉积120nmAg层。

较优地，所述步骤(5)中BCP溶液为BCP的异丙醇溶液时，为饱和溶液；BCP溶液为BCP的三氟乙醇溶液时，BCP的浓度为1mg.ml

所述步骤(5)中电子传输层材料溶液为浓度为20mg.ml

较优地，所述锡基钙钛矿太阳能电池的阴离子摩尔比例为碘离子(I

较优地，所述标签天线为偶极子类型天线、环形天线或微带贴片天线。

具体地，相关制备及检测如下：

实施例1

一种锡基钙钛矿太阳能电池供电的RFID电子标签，如图1所示，所述电子标签包括锡基钙钛矿太阳能电池1、标签天线2、标签芯片4和基板3，所述基板上相连接设置锡基钙钛矿太阳能电池、标签天线、标签芯片，所述锡基钙钛矿太阳能电池的电源输出端与标签芯片的电源输入端连接设置；所述标签天线与标签芯片的射频输入端相连接设置。

具体地，所述RFID电子标签包括锡基钙钛矿太阳能电池、标签天线、标签芯片(EM4325)和基板，基板为玻璃基板。锡基钙钛矿太阳能电池先由旋涂法制备在玻璃基板上，锡基钙钛矿电池的正负电极采用Ag蒸镀而成，再将电源输出端与EM4325芯片的输入端相连，天线输出端与EM4325芯片信号输入端直接相连，标签天线采用的是超高频天线，工作频率为920MHz，材料为铜。

本发明技术采用芯片可以根据实际工作性能要求更换，在本发明技术应用中不做指定限制。

本发明中锡基钙钛矿太阳能电池会影响RFID电子标签的性能参数，具体采用的锡基钙钛矿太阳能电池面积可以根据需求更换，本发明技术应用中不做限制。

本发明中的标签天线可以是偶极子类型天线、环形天线和微型贴片天线，材质可以为Ag、Cu、Al等材料，本发明技术应用中不做限制。

本发明基板可以作为锡基钙钛矿材料的涂布基板，可以采用玻璃和PVC等材料，本发明技术应用中不做限制。

实施例2

如上所述的锡基钙钛矿太阳能电池，如图2所示，所述锡基钙钛矿太阳能电池的器件结构包括自下而上依次相连接设置的透明导电阴极玻璃5、空穴传输层6、锡基钙钛矿活性层7、电子传输层8、修饰层9和金属阳极10，其具体制备步骤如下：

步骤一，预处理钙钛矿太阳能电池透明导电阴极衬底。

(1.1)将方块电阻为15Ω透明导电阴极衬底用洗洁精水超声清洗15分钟后用干净的橡胶手套搓揉干净，然后依次用二次去离子水、乙醇、丙酮和异丙醇超声清洗，每步15分钟；

(1.2)将清洗干净的透明导电阴极衬底用氮气吹干，放入紫外-臭氧清洗机处理20分钟，得到预处理后的透明导电阴极衬底。

步骤二，制作PEDOT:PSS材料的空穴传输层。

(2.1)采用浓度为1.3～1.7wt％的PEDOT:PSS溶液，以6000rpm的转速旋转涂覆PEDOT:PSS溶液40秒，并在空气环境中140℃下退火20min后快速转移至N

步骤三，制作锡基钙钛矿太阳能电池活性层。

(3.1)将苯乙基氢溴酸盐(PEABr)：甲脒氢溴酸盐(FABr)：碘化亚锡(SnI

(3.2)在N

步骤四，制作ICBA材料的电子传输层。

(4.1)采用浓度为20mg.ml

步骤五，制作BCP材料的修饰层。

(5.1)将异丙醇中的饱和BCP溶液在N

步骤六，制作Ag材料的阳极。

(6.1)采用真空蒸镀机设备，在腔室真空度条件为10

较优地，所述锡基钙钛矿太阳能电池的阴离子比例为碘离子(I

较优地，BCP修饰层薄膜可以用异丙醇或者三氟乙醇作为溶剂，通过旋转涂覆的方式制得，也可以采用真空蒸镀的方式，在腔室真空度条件为10

较优地，所述锡基钙钛矿太阳能电池的电子传输层是ICBA、PCBM或者其他有机电子传输材料溶液旋涂制得，其浓度为20mg/ml，还可以采用真空蒸镀的C

图3是实施例2中锡基钙钛矿太阳能电池在一个太阳光强度(AM1.5G)下的电流密度-电压曲线，可以看到采用的锡基钙钛矿太阳能电池在AM1.5G下保持10％左右的效率，是目前体系内锡基钙钛矿太阳能电池的领先效率。

图4是实施例2中锡基钙钛矿太阳能电池在室内常用场景(1062lux)下的电流密度-电压曲线，可以看到采用的锡基钙钛矿太阳能电池在1062lux的光强下保持15％左右的效率，足以供应RFID电子标签的工作需求。

图5为实施例2中标签在常用室内场景(1062lux)下由锡基钙钛矿太阳能电池驱动工作时每分钟发射信号数，平均每分钟信号数在9次左右，可见该标签完全可以满足RFID标签的日常工作需求。

图6为实施例2中标签在常用室内场景(1062lux)下由锡基钙钛矿太阳能电池驱动工作时可测信号的最远距离与标准标签在相同场景下可测信号的最远距离之间的比较，可以看到由锡基钙钛矿驱动时，标签最远距离为6m左右，而相同标准标签的最远距离为1m左右。说明锡基钙钛矿太阳能电池的引入可以显著增强标签的信号发射距离，增强了标签的应用功能。

补充说明的是，图3中的太阳光光源为氙灯，光强为100mW.cm

尽管为说明目的公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例所公开的内容。